李悅達(dá),王玉懷,羅世寬,熊 敏,吳海楠
(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 065201)
隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢,工業(yè)化水平以及工業(yè)制造能力已經(jīng)成為評(píng)價(jià)一個(gè)國家實(shí)力和繁榮程度不可或缺的重要指標(biāo),我國也圍繞實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo),提出了“中國制造2025”。目前由于工業(yè)生產(chǎn)的高分子材料的迅速推廣以及靜電敏感材料的生產(chǎn)和使用,一些電阻率很高的高分子材料如塑料、橡膠等的制品的廣泛應(yīng)用以及現(xiàn)代生產(chǎn)過程的高速化,使得靜電能積累到很高的水平。
塑料是一種高分子化合物,具有質(zhì)輕、不易銹蝕、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中。其中PVC塑料又因使用壽命長、生產(chǎn)成本低而被廣泛加工成管道。2018年,我國PVC產(chǎn)量高達(dá)2400萬噸/年,其中生產(chǎn)管道和配件的使用需求占45%[1]。然而,在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用塑料的同時(shí),由此引發(fā)的靜電問題也對企業(yè)的安全生產(chǎn)造成了威脅,使企業(yè)財(cái)產(chǎn)受損;在工礦、化工生產(chǎn)、輕質(zhì)油品、火藥、電子器件尤其是化工生產(chǎn)方向受靜電導(dǎo)致的安全危害也越來越突出。例如上海石化公司的2000 m3甲苯罐爆炸事故、山東石化公司的膠渣罐安全事故以及撫順石化公司的航煤罐爆炸等事故都是由于靜電而產(chǎn)生的火災(zāi)爆炸事故;2015年江蘇PVC制造廠出現(xiàn)閃燃火災(zāi);2019年東北石化公司在塑料裝置包裝作業(yè)環(huán)節(jié)中發(fā)生爆炸事故[2]。因此,如何消除塑料產(chǎn)生的靜電已成為該行業(yè)發(fā)展中需要解決的重要難題。
對于化工制造行業(yè)中防止產(chǎn)生靜電的措施一般都是改造起電強(qiáng)烈的工藝環(huán)節(jié),采用起電較少的設(shè)備材料等,或是用導(dǎo)線把設(shè)備接地(等電位連接)等等。在實(shí)際生產(chǎn)中,對于粒狀顆粒的輸送仍舊需要使用管道運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行,屬于典型的氣固兩相流。使用金屬管道雖然可以通過接地的方式釋放靜電,但是管道在長時(shí)間使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)生銹腐蝕等問題。因此部分化工企業(yè)仍舊選擇使用PVC管道進(jìn)行物料輸送,既能減少生產(chǎn)成本,又能防止管道生銹腐蝕。然而管道內(nèi)壁由于物料高速摩擦產(chǎn)生的靜電無法及時(shí)釋放,容易形成隱患。如果使用加濕管道內(nèi)壁的方法,可能又會(huì)產(chǎn)生濕料,影響運(yùn)輸效果。然而,對于化工制造行業(yè)中防止產(chǎn)生靜電的措施一般有如下方法。例如,改造起電強(qiáng)烈的工藝環(huán)節(jié),阻斷靜電發(fā)生的事故鏈就能避免事故發(fā)生;又如對油氣船和化工碼頭,使用等電位接地的方法消除靜電;對石油儲(chǔ)罐內(nèi)壁添加導(dǎo)電金屬粉末涂料;在易產(chǎn)生粉末的加工過程中使用加濕器減少靜電等。而對于氣固兩相流模型,如粉料在管道的輸送過程中,管道內(nèi)壁與物料的高速摩擦極易產(chǎn)生靜電,形成隱患。而如果使用加濕管道內(nèi)壁的方法,可能又會(huì)產(chǎn)生濕料,影響運(yùn)輸效果[3-8]。
國內(nèi)外學(xué)者對PVC、表面活性劑、抗靜電開展了以下研究:文獻(xiàn)[10]中研究指出當(dāng)導(dǎo)電云母粉用量為15.0 phr時(shí),改性PVC糊的抗靜電性能較好;當(dāng)有機(jī)紅144質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí),著色抗靜電PVC糊的著色性能較優(yōu);文獻(xiàn)[11]中研究指出通過使用TCT(三聚氯氰)-M-2070(聚醚胺)用量3%(owf)的方法來改性羊毛表面,使羊毛表面具有耐久的抗靜電性;文獻(xiàn)[12]中研究指出使用Gemini表面活性劑可以實(shí)現(xiàn)良好的抗靜電效果;文獻(xiàn)[13]中研究指出通過使用線性AEP,可以實(shí)現(xiàn)良好的抗靜電效果;文獻(xiàn)[14]中通過研究指出了四種不同疏水鏈長度的陽離子雙子表面活性劑(C12-CGB、C14-CGB、C16-CGB和C18-CGB)都具有優(yōu)良的抗靜電性能。文獻(xiàn)[15]研究指出咪唑基丙烯酸酯聚合物涂層可以使物體表面具有相當(dāng)不錯(cuò)的抗靜電能力。文獻(xiàn)[16]中通過添加石墨烯/二氧化鈦來提高PVC薄膜的抗靜電性能。
傳統(tǒng)的消除靜電方法并不適用于對PVC管道,經(jīng)查閱資料和分析討論后,本實(shí)驗(yàn)嘗試使用合適PVC管道運(yùn)輸?shù)目轨o電劑來消除靜電??轨o電劑是一類添加在樹脂或涂布于高分子材料表面以防止或消散靜電荷產(chǎn)生的化學(xué)添加劑??轨o電劑自身沒有自由活動(dòng)的電子,屬與表面活性劑范疇,它通過離子化基團(tuán)或極性基團(tuán)的離子傳導(dǎo)或吸濕作用構(gòu)成泄漏電荷通道降低電阻率和體積電阻率,適度增加導(dǎo)電性,從而防止制品上積聚靜電荷的物質(zhì),主要應(yīng)用于塑料及纖維等高分子材料。一般通過將抗靜電劑加在樹脂中或涂敷于制品表面,起到消除PVC管道內(nèi)壁的靜電的作用,故而能減少生產(chǎn)過程中的安全隱患,最終達(dá)到提高工業(yè)生產(chǎn)的安全性的目的。
本實(shí)驗(yàn)旨在探究PVC管道內(nèi)壁靜電產(chǎn)生后使用消除手段消除靜電,由于靜電的測量受大氣環(huán)境影響,當(dāng)空氣或物料潮濕時(shí)不易產(chǎn)生靜電。因此,必須保證實(shí)驗(yàn)過程中處于干燥環(huán)境。因此,本實(shí)驗(yàn)在華北科技學(xué)院安科樓實(shí)驗(yàn)室封閉環(huán)境中開展了兩次,記為1#和2#實(shí)驗(yàn)。
1.2.1 試劑選用及制備
通過查閱相關(guān)文獻(xiàn),本次實(shí)驗(yàn)選用的試劑,詳見表1。
表1 抗靜電劑表
SAS-60水溶液和SN水溶液配制:用容量瓶分別配制0.5 mol/L兩種試劑,為使涂層更好的附著在管道內(nèi)壁,在配好的兩種溶液中按溶液體積20∶1 比例添加環(huán)己酮。值得注意的是,由于環(huán)己酮與塑料互溶且有強(qiáng)烈刺激性氣味,配好的環(huán)己酮溶液不能存放于塑料容器中。需使用玻璃噴壺,并定期更換。
乙醇乙二醇溶液配制:將1000 ml乙二醇與500 ml無水乙醇混合,再加入0.2 g酚酞,用0.1 mol/L 的氫氧化鈉溶液加入無水乙醇溶液中至溶液顏色呈紅色。同時(shí)注意該溶液需現(xiàn)用現(xiàn)配,并有防潮措施。
1.2.2 實(shí)驗(yàn)材料及儀器
(1) 實(shí)驗(yàn)材料
本實(shí)驗(yàn)選用額定電壓為220 V、最大功率為2 kW的空壓風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備。
實(shí)驗(yàn)選用的塑膠顆粒為操場中常用的塑膠顆粒(圖1),形狀不均,更易產(chǎn)生靜電,利于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,且價(jià)格低廉。
PVC管道選用市售品牌(圖2),外徑50 mm,長度1.5 m。為保證實(shí)驗(yàn)效果,不選用復(fù)合型PVC管。
圖1 市售的塑膠顆粒
圖2 市售PVC管
空壓風(fēng)機(jī)吹動(dòng)管道中的塑膠顆粒更貼合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中物料運(yùn)輸。
(2) 實(shí)驗(yàn)儀器
測量設(shè)備選用埃用Tronovo TR7300型靜電測試儀(圖3),測量距離在25 mm內(nèi),測量范圍在-20 kV~+20 kV之間,量程在小數(shù)點(diǎn)后一位。同時(shí),感應(yīng)器旁邊的兩個(gè)LED燈是用來幫助定位測量儀到電荷體之間的距離,使用之前需要儀器校準(zhǔn)。
圖3 TR7300型靜電測試儀
1.3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
溫濕度環(huán)境相同情況下,使用空壓機(jī)將塑膠顆粒吹過附著三種表面活性劑的PVC管道,測量管道內(nèi)壁靜電量前后的變化情況;在一周后再次測量管道實(shí)驗(yàn)前后靜電量變化,以探究三種表面活性劑的時(shí)效性。
1.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟
操作之前確保設(shè)備完好,測試環(huán)境干燥,靜電測試儀已接地校準(zhǔn)。
(1) 對涂有三種不同涂層的管道分別標(biāo)記,A組代表含SAS-60溶液涂層的管道,B組代表含SN溶液涂層的管道,C組代表乙二醇乙醇溶液涂層的管道。并設(shè)立對照空白組管道,標(biāo)記為D組。
(2) 實(shí)驗(yàn)開始前,先進(jìn)行測量管道內(nèi)壁靜電電壓值,測量方法為測量內(nèi)壁三個(gè)不同點(diǎn)分別記錄后求三點(diǎn)的平均值并記錄(取值精確到小數(shù)點(diǎn)后三位)。
(3) 取25 g橡膠顆粒,堆放在管道D的左側(cè),之后在左側(cè)連接風(fēng)機(jī),右側(cè)對橡膠顆粒進(jìn)行回收,同時(shí)記錄對照空白組D組的靜電值。
(4) 接通風(fēng)機(jī),使顆粒在風(fēng)力作用下與管道內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦,直至所有顆粒輸送完畢。
(5) 關(guān)閉風(fēng)機(jī),使用靜電測試儀分別測量管道左側(cè)和右側(cè)內(nèi)壁靜電值并記錄。
(6) 同第2~5步,先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前測量后另取25 g橡膠顆粒,堆放在管道A的左側(cè),直至所有顆粒輸送完畢。
(7) 對B、C實(shí)驗(yàn)組管道重復(fù)第2~5步操作,同時(shí)記錄。
空白對照組實(shí)驗(yàn)對比了兩個(gè)時(shí)間測量的三組數(shù)據(jù)的平均值。由圖5可見,在PVC管未使用任何表面活性劑時(shí),在實(shí)驗(yàn)前初始靜電電壓值相比在塑膠顆粒通過管道后,明顯的靜電電壓值升高。
圖4 空白對照組
PVC噴涂SAS-60試劑由圖5可以明顯看出,在實(shí)驗(yàn)開始前測量的靜電電壓值相比空白組明顯偏低;當(dāng)塑膠顆粒通過管道后,靜電電壓值的改變得到抑制。
圖5 SAS-60組
圖6 SN組
由圖6可知:當(dāng)對比SN組與空白對照組和SAS-60組時(shí)可明顯看出,SN組無論是實(shí)驗(yàn)前還是實(shí)驗(yàn)后,靜電電壓值都明顯偏小數(shù)十倍,且實(shí)驗(yàn)前后的左右兩端靜電電壓值基本不變;由數(shù)據(jù)可知,SN試劑作為防靜電表面活性劑最為理想。
由圖7可知:說明乙醇乙二醇組數(shù)據(jù)無論是實(shí)驗(yàn)前、后靜電電壓值明顯偏大;由于乙醇乙二醇溶液具有揮發(fā)性,由2#實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出乙醇乙二醇組附著管道內(nèi)壁含量明顯較1#含量變少,故抗靜電能力下降。2#實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前發(fā)現(xiàn)靜電值不降反升,可得乙醇乙二醇只能進(jìn)行短時(shí)抗靜電作用,且抗靜電能力差于SAS-60試劑。
(1) 通過兩天的1#和2#實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以看出三種表面活性劑的時(shí)效性不一。SAS-60試劑抗靜電能力介于兩者之間且時(shí)效性隨著時(shí)間推移一周之后有所降低但不明顯;SN試劑抗靜電能力最優(yōu),且隨著時(shí)間推移時(shí)效性并未降低,仍具有良好的抗靜電能力;乙醇乙二醇試劑抗靜電能力在三者之間最差,通過2#可知其時(shí)效性同樣很差,這是因?yàn)橐掖家叶嫉膿]發(fā)作用導(dǎo)致的。
(2) 根據(jù)空白實(shí)驗(yàn)組的1#和2#可知,靜電產(chǎn)生時(shí)室內(nèi)溫度濕度兩天之內(nèi)相差并不大;兩天分別空管在塑膠顆粒經(jīng)過之后產(chǎn)生的靜電電量之和相似,故實(shí)驗(yàn)可以基本排除兩天的其他外界影響因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得SN抗靜電試劑可以使塑膠顆粒在通過管道的過程中靜電電壓值基本保持不變,故抗靜電的穩(wěn)定性最佳。
(3) 傳統(tǒng)的研究方式傾向于對管道流體直接進(jìn)行靜電測量,這種方式對儀器要求精度更大,花費(fèi)更高;還有的研究方法是將輸送過的物質(zhì)通過法拉第筒與測量儀相連接,從而讀出傳輸物質(zhì)的靜電數(shù)據(jù),但這種方式對操作性要求極高。本次試驗(yàn)不同于傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì),通過使用噴涂的方式制作管道涂層,直接對管道內(nèi)壁表面進(jìn)行靜電檢測。大大降低了實(shí)驗(yàn)操作的難度。在工業(yè)生產(chǎn)過程中,管道的涂層多使用涂布機(jī)進(jìn)行表面處理。通過熱干固化等技術(shù)可以使表面活性劑更牢固的附著在管道表面?;蚴窃谧⑺苓^程中加入助劑,直接生產(chǎn)出具有特殊性質(zhì)的塑料原材料,進(jìn)而加工成其他產(chǎn)品。而本實(shí)驗(yàn)使用的是噴涂的方法制作涂層,也可能無法保證涂層覆蓋的均勻性。本實(shí)驗(yàn)是一種創(chuàng)新的方式對材料進(jìn)行改性研究,且研究規(guī)模可控。本實(shí)驗(yàn)可為PVC管道安全運(yùn)輸物料等方向提供理論指導(dǎo)作用。